Dujose yra nesavarankiškų ir savaiminių elektros išlydžių.
Dujomis tekančios elektros srovės reiškinys, stebimas tik esant tam tikram išoriniam poveikiui dujoms, vadinamas nesavarankiška elektros iškrova. Elektrono pašalinimo iš atomo procesas vadinamas atomo jonizacija. Minimali energija, kurią reikia sunaudoti elektronui pašalinti iš atomo, vadinama jonizacijos energija. Vadinamos iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, kurių teigiamų ir neigiamų krūvių tankiai yra lygūs plazma.
Elektros srovės nešėjai nesavaiminio iškrovimo metu yra teigiami jonai ir neigiami elektronai. Srovės-įtampos charakteristika parodyta fig. 54. OAV srityje - nesavarankiškas išleidimas. BC regione iškrova tampa nepriklausoma.
Savaiminio išsikrovimo metu vienas iš atomų jonizacijos būdų yra elektroninė smūginė jonizacija. Jonizacija elektronų smūgiu tampa įmanoma, kai vidutiniame laisvajame kelyje A esantis elektronas įgyja kinetinę energiją Wk, kurios pakanka elektrono pašalinimo iš atomo darbui atlikti. Nepriklausomų išlydžių dujose tipai – kibirkštiniai, vainikiniai, lankiniai ir švytėjimo išlydžiai.
Kibirkštinis iškrovimas atsiranda tarp dviejų elektrodų, įkrautų skirtingais krūviais ir turinčių didelį potencialų skirtumą. Įtampa tarp skirtingai įkrautų kūnų siekia iki 40 000 V. Kibirkštinis išlydis trumpalaikis, jo mechanizmas – elektroninis smūgis. Žaibas yra kibirkštinio išlydžio rūšis.
Labai nehomogeniškuose elektriniuose laukuose, susidariusiuose, pavyzdžiui, tarp viršūnės ir plokštumos arba tarp elektros linijos laido ir Žemės paviršiaus, susidaro ypatinga savaiminio dujų išlydžio forma, vadinama korona iškrova.
Elektros lanko išlydis atrado rusų mokslininkas V.V.Petrovas 1802. Kai susiliečia du anglies elektrodai esant 40-50 V įtampai, kai kuriose vietose atsiranda mažo skerspjūvio plotai su didele elektrine varža. Šios sritys labai įkaista ir išskiria elektronus, kurie jonizuoja tarp elektrodų esančius atomus ir molekules. Elektros srovės nešėjai lanke yra teigiamai įkrauti jonai ir elektronai.
Iškrova, kuri atsiranda esant sumažintam slėgiui, vadinama švytėjimo iškrova. Mažėjant slėgiui elektrono laisvas kelias didėja, o per laiką tarp susidūrimų jis sugeba įgyti pakankamai energijos jonizacijai mažesnio intensyvumo elektriniame lauke. Iškrovą atlieka elektronų jonų lavina.
Įprastomis sąlygomis dujos yra dielektrikai, nes yra sudaryti iš neutralių atomų ir molekulių ir neturi pakankamai laisvų krūvių Dujos tampa laidininkais tik tada, kai yra tam tikru būdu jonizuojamos. Dujų jonizacijos procesas apima vieno ar daugiau elektronų pašalinimą iš atomo dėl tam tikrų priežasčių. Dėl to vietoj neutralaus atomo teigiamas jonas Ir elektronas.
Molekulių skilimas į jonus ir elektronus vadinamas dujų jonizacija.
Kai kuriuos gautus elektronus gali užfiksuoti kiti neutralūs atomai, o tada neigiamo krūvio jonai.
Taigi jonizuotose dujose yra trijų tipų krūvininkai: elektronai, teigiami jonai ir neigiami.
Norint pašalinti elektroną iš atomo, reikia išleisti tam tikrą energijos kiekį - jonizacijos energija W i. Jonizacijos energija priklauso nuo cheminės dujų prigimties ir elektrono energetinės būsenos atome. Taigi, norint pašalinti pirmąjį elektroną iš azoto atomo, reikia 14,5 eV, antrajam elektronui pašalinti - 29,5 eV, trečiajam - 47,4 eV.
Dujų jonizaciją sukeliantys veiksniai vadinami jonizatoriai.
Yra trys jonizacijos tipai: terminė jonizacija, fotojonizacija ir smūginė jonizacija.
Šiluminė jonizacijaįvyksta dėl atomų ar dujų molekulių susidūrimo aukštoje temperatūroje, jei susidūrusių dalelių santykinio judėjimo kinetinė energija viršija elektrono rišimosi energiją atome.
Fotojonizacija atsiranda veikiant elektromagnetinei spinduliuotei (ultravioletinė, rentgeno ar γ spinduliuotė), kai energija, reikalinga elektronui atskirti nuo atomo, perduodama jam spinduliavimo kvantu.
Elektronų smūgio jonizacija(arba smūginė jonizacija) yra teigiamai įkrautų jonų susidarymas dėl atomų ar molekulių susidūrimo su greitais elektronais, turinčiais didelę kinetinę energiją.
Dujų jonizacijos procesą visada lydi priešingas neutralių molekulių redukcijos procesas iš priešingai įkrautų jonų dėl jų elektrinės traukos. Šis reiškinys vadinamas rekombinacija. Rekombinacijos metu išsiskiria energija, lygi energijai, sunaudotai jonizacijai. Tai gali sukelti, pavyzdžiui, dujų švytėjimą.
Jeigu jonizatoriaus veikimas nekinta, tai jonizuotose dujose nusistovi dinaminė pusiausvyra, kurioje per laiko vienetą atsistato tiek pat molekulių, kiek jos suyra į jonus. Šiuo atveju įkrautų dalelių koncentracija jonizuotose dujose išlieka nepakitusi. Jei jonizatoriaus veikimas bus sustabdytas, rekombinacija pradės vyrauti prieš jonizaciją ir jonų skaičius greitai sumažės iki beveik nulio. Vadinasi, įkrautų dalelių buvimas dujose yra laikinas reiškinys (kol veikia jonizatorius).
Nesant išorinio lauko, įkrautos dalelės juda chaotiškai.
Dujų išleidimas
Į elektrinį lauką patalpinus jonizuotas dujas, laisvuosius krūvius pradeda veikti elektros jėgos, kurios dreifuoja lygiagrečiai įtampos linijoms: elektronai ir neigiami jonai – į anodą, teigiami – į katodą (1 pav.). Prie elektrodų jonai virsta neutraliais atomais, duoda arba priima elektronus, taip užbaigdami grandinę. Dujose atsiranda elektros srovė.
Elektros srovė dujose– tai kryptingas jonų ir elektronų judėjimas.
Elektros srovė dujose vadinama dujų išleidimas.
Bendra srovė dujose susideda iš dviejų įkrautų dalelių srautų: srauto, einančio į katodą, ir srauto, nukreipto į anodą.
Dujos sujungia elektroninį laidumą, panašų į metalų laidumą, su joniniu laidumu, panašiu į vandeninių tirpalų ar elektrolitų lydalų laidumą.
Taigi dujų laidumas turi jonų elektroninis pobūdis.
Jis susidaro dėl kryptingo laisvųjų elektronų judėjimo ir kad šiuo atveju medžiagos, iš kurios pagamintas laidininkas, pokyčių neįvyksta.
Vadinami tokie laidininkai, kuriuose elektros srovei praeinant nevyksta cheminiai jų medžiagos pokyčiai pirmos rūšies dirigentai. Tai apima visus metalus, anglį ir daugybę kitų medžiagų.
Tačiau gamtoje yra ir elektros srovės laidininkų, kuriuose vykstant srovei vyksta cheminiai reiškiniai. Šie laidininkai vadinami antrosios rūšies laidininkai. Tai daugiausia įvairūs rūgščių, druskų ir šarmų tirpalai vandenyje.
Jei į stiklinį indą įpilsite vandens ir įlašinsite kelis lašus sieros rūgšties (arba kitos rūgšties ar šarmo), tada paimkite dvi metalines plokštes ir sujungsite prie jų laidininkus, nuleisdami šias plokštes į indą ir prijungdami srovės šaltinį kitus laidininkų galus per jungiklį ir ampermetrą, tada iš tirpalo išsileis dujos ir tai tęsis tol, kol grandinė bus uždaryta, nes parūgštintas vanduo iš tiesų yra laidininkas. Be to, plokštės pradės pasidengti dujų burbuliukais. Tada šie burbuliukai nutrūks nuo plokštelių ir išeis.
Kai per tirpalą praeina elektros srovė, vyksta cheminiai pokyčiai, dėl kurių išsiskiria dujos.
Antrosios rūšies laidininkai vadinami elektrolitais, o reiškinys, kuris atsiranda elektrolite, kai per jį praeina elektros srovė.
Metalinės plokštės, panardintos į elektrolitą, vadinamos elektrodais; vienas iš jų, prijungtas prie teigiamo srovės šaltinio poliaus, vadinamas anodu, o kitas, prijungtas prie neigiamo poliaus, vadinamas katodu.
Kas lemia elektros srovės praėjimą skysčio laidininke? Pasirodo, tokiuose tirpaluose (elektrolituose) rūgščių (šarmų, druskos) molekulės, veikiamos tirpiklio (šiuo atveju vandens), skyla į du komponentus ir Viena molekulės dalelė turi teigiamą elektros krūvį, o kita – neigiamą.
Molekulės dalelės, turinčios elektrinį krūvį, vadinamos jonais. Kai rūgštis, druska ar šarmas ištirpsta vandenyje, tirpale atsiranda daug teigiamų ir neigiamų jonų.
Dabar turėtų paaiškėti, kodėl per tirpalą praėjo elektros srovė, nes tarp elektrodų, prijungtų prie srovės šaltinio, susidarė įtampa, kitaip tariant, vienas iš jų buvo įkrautas teigiamai, o kitas - neigiamai. Šio potencialų skirtumo įtakoje teigiami jonai pradėjo maišytis link neigiamo elektrodo – katodo, o neigiami – link anodo.
Taigi chaotiškas jonų judėjimas tapo tvarkingu priešpriešiniu neigiamų jonų judėjimu viena kryptimi, o teigiamų – kita. Šis krūvio perdavimo procesas sudaro elektros srovės srautą per elektrolitą ir vyksta tol, kol yra potencialų skirtumas tarp elektrodų. Išnykus potencialų skirtumui, sustoja srovė per elektrolitą, sutrinka tvarkingas jonų judėjimas ir vėl prasideda chaotiškas judėjimas.
Kaip pavyzdį panagrinėkime elektrolizės reiškinį, kai elektros srovė teka per vario sulfato CuSO4 tirpalą su į jį nuleistais variniais elektrodais.
Elektrolizės reiškinys, kai srovė teka per vario sulfato tirpalą: C - indas su elektrolitu, B - srovės šaltinis, C - jungiklis
Čia taip pat bus priešingas jonų judėjimas į elektrodus. Teigiamas jonas bus vario jonas (Cu), o neigiamas – rūgšties liekanos jonas (SO4). Vario jonai, besiliečiantys su katodu, išsikraus (pritvirtins trūkstamus elektronus), t.y., pavirs neutraliomis gryno vario molekulėmis ir nusėda ant katodo plono (molekulinio) sluoksnio pavidalu.
Neigiami jonai, pasiekę anodą, taip pat išsikrauna (atsiduoda elektronų perteklių). Tačiau tuo pat metu jie pradeda cheminę reakciją su anodo variu, dėl kurios į rūgštinę likutį SO4 pridedama vario molekulė Cu ir susidaro vario sulfato CuS O4 molekulė, kuri grąžinama atgal. į elektrolitą.
Kadangi šis cheminis procesas trunka ilgai, ant katodo nusėda varis, išsiskiriantis iš elektrolito. Tokiu atveju elektrolitas, o ne vario molekulės, kurios nuėjo į katodą, dėl antrojo elektrodo – anodo – ištirpimo gauna naujas vario molekules.
Tas pats procesas vyksta, jei vietoj vario paimami cinko elektrodai, o elektrolitas yra cinko sulfato ZnSO4 tirpalas. Cinkas taip pat bus perkeltas iš anodo į katodą.
Taigi, Skirtumas tarp elektros srovės metaluose ir skysčių laidininkų slypi tame, kad metaluose krūvininkai yra tik laisvieji elektronai, t.y. neigiami krūviai, o elektrolituose jį neša priešingai įkrautos medžiagos dalelės – priešingomis kryptimis judantys jonai. Todėl jie taip sako Elektrolitai pasižymi joniniu laidumu.
Elektrolizės reiškinys 1837 metais atrado B. S. Jacobi, atlikęs daugybę cheminių srovės šaltinių tyrimų ir tobulinimo eksperimentų. Jacobi nustatė, kad vienas iš elektrodų, įdėtų į vario sulfato tirpalą, pasidengė variu, kai per jį praeina elektros srovė.
Šis reiškinys vadinamas galvanizavimas, dabar randa itin platų praktinį pritaikymą. Vienas iš pavyzdžių yra metalinių objektų padengimas plonu kitų metalų sluoksniu, t. y. nikeliavimas, auksavimas, sidabravimas ir kt.
Dujos (įskaitant orą) normaliomis sąlygomis nelaidžia elektros srovės. Pavyzdžiui, nuogi, pakabinti lygiagrečiai vienas kitam, atsiduria vienas nuo kito atskirti oro sluoksniu.
Tačiau veikiant aukštai temperatūrai, dideliems potencialų skirtumams ir dėl kitų priežasčių, dujos, kaip ir skysčių laidininkai, jonizuojasi, t. y. jose dideliais kiekiais atsiranda dujų molekulių dalelių, kurios, būdamos elektros nešėjos, palengvina elektros praėjimą. srovė per dujas.
Tačiau tuo pačiu metu dujų jonizacija skiriasi nuo skysčio laidininko jonizacijos. Jei skystyje molekulė suyra į dvi įkrautas dalis, tai dujose, veikiant jonizacijai, nuo kiekvienos molekulės visada atsiskiria elektronai ir jonas lieka teigiamai įkrautos molekulės dalies pavidalu.
Kai tik dujų jonizacija sustos, jos nustos laidžios, o skystis visada išliks elektros srovės laidininku. Vadinasi, dujų laidumas yra laikinas reiškinys, priklausantis nuo išorinių priežasčių veikimo.
Tačiau yra dar vienas vadinamas lanko išlydis arba tiesiog elektros lankas. Elektros lanko reiškinį XIX amžiaus pradžioje atrado pirmasis Rusijos elektros inžinierius V. V. Petrovas.
V.V. Petrovas, atlikęs daugybę eksperimentų, atrado, kad tarp dviejų anglių, prijungtų prie srovės šaltinio, per orą vyksta nuolatinė elektros iškrova, kurią lydi ryški šviesa. Savo raštuose V. V. Petrovas rašė, kad šiuo atveju „tamsi ramybė gali būti apšviesta gana ryškiai“. Taip pirmą kartą buvo gauta elektros šviesa, kurią praktiškai pritaikė kitas Rusijos elektros inžinierius Pavelas Nikolajevičius Jabločkovas.
Yablochkov žvakė, kurios veikimas pagrįstas elektros lanko naudojimu, tais laikais padarė tikrą revoliuciją elektros inžinerijoje.
Lanko išlydis ir šiandien naudojamas kaip šviesos šaltinis, pavyzdžiui, prožektoriuose ir projekciniuose įrenginiuose. Aukšta lankinio išlydžio temperatūra leidžia jį naudoti. Šiuo metu lankinės krosnys, varomos labai didele srove, naudojamos daugelyje pramonės šakų: plieno, ketaus, geležies lydinių, bronzos ir kt. O 1882 m. N. N. Benardosas pirmą kartą panaudojo lankinį išlydį metalui pjauti ir suvirinti.
Dujų šviesos vamzdeliuose, liuminescencinėse lempose, įtampos stabilizatoriuose, vadinamuosiuose švytinčių dujų išleidimas.
Kibirkštinis išlydis naudojamas dideliems potencialų skirtumams matuoti naudojant rutulinį tarpą, kurio elektrodai yra du metaliniai rutuliai su poliruotu paviršiumi. Rutuliai perkeliami vienas nuo kito ir jiems taikomas išmatuotas potencialų skirtumas. Tada kamuoliukai suartinami, kol tarp jų iššoka kibirkštis. Žinodami rutulių skersmenį, atstumą tarp jų, slėgį, temperatūrą ir drėgmę, naudodami specialias lenteles suraskite potencialų skirtumą tarp kamuoliukų. Šiuo metodu kelių procentų tikslumu galima išmatuoti dešimčių tūkstančių voltų potencialų skirtumus.
Vieningo valstybinio egzamino kodifikatoriaus temos: laisvųjų elektros krūvių nešikliai dujose.
Įprastomis sąlygomis dujos susideda iš elektriškai neutralių atomų arba molekulių; Nemokamų mokesčių dujose beveik nėra. Todėl dujos yra dielektrikai- elektros srovė per juos nepraeina.
Mes pasakėme „beveik jokio“, nes iš tikrųjų dujose ir ypač ore visada yra tam tikras kiekis laisvų įkrautų dalelių. Jie atsiranda dėl radioaktyviųjų medžiagų, sudarančių žemės plutą, spinduliuotės, ultravioletinės ir rentgeno spinduliuotės iš Saulės, taip pat kosminių spindulių - didelės energijos dalelių srautų, prasiskverbiančių į Žemės atmosferą iš išorės. erdvė. Vėliau grįšime prie šio fakto ir aptarsime jo svarbą, tačiau kol kas tik pažymėsime, kad normaliomis sąlygomis dujų laidumas, kurį sukelia „natūralus“ nemokamų krūvių kiekis, yra nereikšmingas ir gali būti ignoruojamas.
Jungiklių veikimas elektros grandinėse pagrįstas oro tarpo izoliacinėmis savybėmis (1 pav.). Pavyzdžiui, pakanka nedidelio oro tarpo šviesos jungiklyje, kad jūsų kambaryje būtų atidaryta elektros grandinė.
Ryžiai. 1 raktas
Tačiau galima sukurti sąlygas, kurioms esant dujų tarpelyje atsirastų elektros srovė. Panagrinėkime toliau pateiktą patirtį.
Įkraukime oro kondensatoriaus plokštes ir prijungkime prie jautraus galvanometro (2 pav., kairėje). Kambario temperatūroje ir ne per drėgname ore galvanometras nerodys jokios pastebimos srovės: mūsų oro tarpas, kaip minėjome, nėra elektros laidininkas.
Ryžiai. 2. Srovės atsiradimas ore
Dabar įveskime degiklį arba žvakės liepsną į tarpą tarp kondensatoriaus plokščių (2 pav., dešinėje). Pasirodo srovė! Kodėl?
Nemokami mokesčiai už dujas
Elektros srovės atsiradimas tarp kondensatoriaus plokščių reiškia, kad ore, veikiama liepsnos, atsirado nemokami mokesčiai. Kokius tiksliai?
Patirtis rodo, kad elektros srovė dujose yra tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas trijų tipų. Tai elektronų, teigiami jonai Ir neigiamų jonų.
Išsiaiškinkime, kaip šie krūviai gali atsirasti dujose.
Didėjant dujų temperatūrai, intensyvėja jų dalelių – molekulių ar atomų – šiluminiai virpesiai. Dalelių susidūrimas viena su kita pasiekia tokią jėgą, kad prasideda jonizacija- neutralių dalelių skilimas į elektronus ir teigiamus jonus (3 pav.).
Ryžiai. 3. Jonizacija
Jonizacijos laipsnis yra suirusių dujų dalelių skaičiaus ir bendro pradinio dalelių skaičiaus santykis. Pavyzdžiui, jei jonizacijos laipsnis yra lygus , tai reiškia, kad pradinės dujų dalelės suskilo į teigiamus jonus ir elektronus.
Dujų jonizacijos laipsnis priklauso nuo temperatūros ir smarkiai didėja didėjant temperatūrai. Pavyzdžiui, vandenilio, esant žemesnei temperatūrai, jonizacijos laipsnis neviršija , o aukštesnėje temperatūroje jonizacijos laipsnis yra artimas (tai yra, vandenilis yra beveik visiškai jonizuotas (iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos vadinamos plazma)).
Be aukštos temperatūros, yra ir kitų veiksnių, sukeliančių dujų jonizaciją.
Prabėgomis jau minėjome: tai radioaktyvioji spinduliuotė, ultravioletiniai, rentgeno ir gama spinduliai, kosminės dalelės. Bet koks toks veiksnys, sukeliantis dujų jonizaciją, vadinamas jonizatorius.
Taigi jonizacija vyksta ne savaime, o veikiant jonizatoriui.
Tuo pačiu metu vyksta atvirkštinis procesas - rekombinacija, tai yra elektrono ir teigiamo jono susijungimas į neutralią dalelę (4 pav.).
Ryžiai. 4. Rekombinacija
Rekombinacijos priežastis paprasta: tai priešingai įkrautų elektronų ir jonų Kulono trauka. Skubėdami vienas prie kito, veikiami elektros jėgų, jie susitinka ir sugeba suformuoti neutralų atomą (arba molekulę, priklausomai nuo dujų rūšies).
Esant pastoviam jonizatoriaus veikimo intensyvumui, susidaro dinaminė pusiausvyra: per laiko vienetą suyrančių dalelių vidutinis skaičius lygus vidutiniam rekombinuojančių dalelių skaičiui (kitaip tariant, jonizacijos greitis lygus rekombinacijos greičiui). padidinamas jonizatoriaus veikimas (pavyzdžiui, didinant temperatūrą), tada dinaminė pusiausvyra pasislinks į jonizacijos pusę, padidės įkrautų dalelių koncentracija dujose. Priešingai, jei išjungsite jonizatorių, pradės vyrauti rekombinacija, o nemokami įkrovimai palaipsniui visiškai išnyks.
Taigi, dėl jonizacijos dujose atsiranda teigiamų jonų ir elektronų. Iš kur atsiranda trečiojo tipo krūvis – neigiami jonai? Tai labai paprasta: elektronas gali atsitrenkti į neutralų atomą ir prie jo prisitvirtinti! Šis procesas parodytas fig. 5 .
Ryžiai. 5. Neigiamo jono atsiradimas
Taip susidarę neigiami jonai kartu su teigiamais jonais ir elektronais dalyvaus kuriant srovę.
Nesavarankiškas iškrovimas
Jei nėra išorinio elektrinio lauko, laisvieji krūviai vyksta chaotiškai, kartu su neutraliomis dujų dalelėmis. Bet kai veikia elektrinis laukas, prasideda tvarkingas įkrautų dalelių judėjimas - elektros srovė dujose.
Ryžiai. 6. Savaiminis iškrovimas
Pav. 6 matome trijų tipų įkrautas daleles, atsirandančias dujų tarpelyje, veikiant jonizatoriui: teigiamus jonus, neigiamus jonus ir elektronus. Elektros srovė dujose susidaro dėl priešingo įkrautų dalelių judėjimo: teigiami jonai - į neigiamą elektrodą (katodą), elektronai ir neigiami jonai - į teigiamą elektrodą (anodą).
Elektronai, patekę į teigiamą anodą, per grandinę nukreipiami į srovės šaltinio „pliusą“. Neigiami jonai anodui atiduoda papildomą elektroną ir, tapę neutraliomis dalelėmis, grįžta į dujas; anodui duotas elektronas taip pat veržiasi į šaltinio „pliusą“. Teigiami jonai, patekę į katodą, paima iš ten elektronus; susidaręs elektronų deficitas prie katodo iš karto kompensuojamas jų patekimu ten iš „minuso“ šaltinio. Dėl šių procesų išorinėje grandinėje vyksta tvarkingas elektronų judėjimas. Tai galvanometro užfiksuota elektros srovė.
Aprašytas procesas parodytas fig. 6, paskambino nesavaiminis išsikrovimas dujose. Kodėl priklausomas? Todėl norint jį išlaikyti, būtinas nuolatinis jonizatoriaus veikimas. Išimkime jonizatorių - ir srovė sustos, nes išnyks mechanizmas, užtikrinantis laisvų krūvių atsiradimą dujų tarpelyje. Erdvė tarp anodo ir katodo vėl taps izoliatoriumi.
Dujų išlydžio srovės-įtampos charakteristikos
Srovės per dujų tarpą priklausomybė nuo įtampos tarp anodo ir katodo (vad. dujų išlydžio srovės-įtampos charakteristika) parodyta fig. 7.
Ryžiai. 7. Dujų išlydžio srovės-įtampos charakteristikos
Esant nulinei įtampai, srovės stipris natūraliai lygus nuliui: įkrautos dalelės atlieka tik šiluminį judėjimą, nėra tvarkingo judėjimo tarp elektrodų.
Esant žemai įtampai, srovė taip pat yra maža. Faktas yra tas, kad ne visoms įkrautoms dalelėms lemta pasiekti elektrodus: kai kurie teigiami jonai ir elektronai randa vienas kitą ir judant rekombinuojasi.
Didėjant įtampai, laisvieji krūviai vystosi vis greičiau ir greičiau, ir tuo mažesnė tikimybė, kad teigiamas jonas ir elektronas susitiks ir susijungs. Todėl vis didesnė dalis įkrautų dalelių pasiekia elektrodus, o srovė didėja (skyrius).
Esant tam tikram įtampos dydžiui (taškui), krūvio judėjimo greitis tampa toks didelis, kad rekombinacija visai nespėja įvykti. Nuo dabar Visiįkrautos dalelės, susidarančios veikiant jonizatoriui, pasiekia elektrodus, ir srovė pasiekia prisotinimą- būtent srovės stiprumas nustoja keistis didėjant įtampai. Tai įvyks iki tam tikro taško.
Savaiminis išsikrovimas
Perėjus tašką, srovės stiprumas smarkiai padidėja didėjant įtampai - nepriklausoma kategorija. Dabar išsiaiškinsime, kas tai yra.
Įkrautos dujų dalelės juda iš susidūrimo į susidūrimą; intervalais tarp susidūrimų juos pagreitina elektrinis laukas, padidindamas jų kinetinę energiją. Taigi, kai įtampa tampa pakankamai didelė (tas pats taškas), elektronai laisvu keliu pasiekia tokią energiją, kad susidūrę su neutraliais atomais juos jonizuoja! (Naudojant impulso ir energijos tvermės dėsnius, galima parodyti, kad elektronai (ne jonai), pagreitinti elektrinio lauko, turi didžiausią gebėjimą jonizuoti atomus.)
Taip vadinamas elektronų smūginė jonizacija. Iš jonizuotų atomų išmušti elektronai taip pat yra pagreitinami elektrinio lauko ir susiduria su naujais atomais, dabar juos jonizuoja ir generuoja naujus elektronus. Dėl susidariusios elektronų lavinos sparčiai didėja jonizuotų atomų skaičius, dėl to sparčiai didėja ir srovės stipris.
Nemokamų įkrovimų skaičius tampa toks didelis, kad nebereikia išorinio jonizatoriaus. Galite tiesiog jį pašalinti. Dėl to dabar susidaro laisvos įkrautos dalelės vidinis dujose vykstantys procesai – štai kodėl iškrova vadinama nepriklausoma.
Jei dujų tarpas yra esant aukštai įtampai, savaiminiam išsikrovimui jonizatoriaus nereikia. Pakanka dujose turėti tik vieną laisvą elektroną, ir prasidės aukščiau aprašyta elektronų lavina. Ir visada bus bent vienas laisvas elektronas!
Dar kartą prisiminkime, kad dujose net ir normaliomis sąlygomis yra tam tikras „natūralus“ laisvųjų krūvių kiekis, atsirandantis dėl jonizuojančios radioaktyviosios žemės plutos spinduliuotės, aukšto dažnio Saulės spinduliuotės ir kosminių spindulių. Matėme, kad esant žemai įtampai šių laisvųjų krūvių sukeliamas dujų laidumas yra nereikšmingas, tačiau dabar – esant aukštai įtampai – jos sukels naujų dalelių laviną, sukeldamos nepriklausomą iškrovą. Tai atsitiks, kaip sakoma palaužti dujų tarpas.
Lauko stiprumas, reikalingas sausam orui suskaidyti, yra maždaug kV/cm. Kitaip tariant, norint, kad tarp elektrodų, atskirtų oro centimetru, peršoktų kibirkštis, jiems turi būti taikoma kilovoltų įtampa. Įsivaizduokite, kokios įtampos reikia norint prasiskverbti per kelis kilometrus oro! Bet būtent tokie gedimai įvyksta per perkūniją – tai žaibai, kuriuos puikiai žinote.
1. Jonizacija, jos esmė ir rūšys.
Pirmoji elektros srovės egzistavimo sąlyga yra laisvųjų krūvininkų buvimas. Dujose jie atsiranda dėl jonizacijos. Jonizacijos faktorių įtakoje elektronas atsiskiria nuo neutralios dalelės. Atomas tampa teigiamu jonu. Taigi susidaro 2 krūvininkų tipai: teigiamas jonas ir laisvasis elektronas. Jeigu elektronas prisijungia prie neutralaus atomo, atsiranda neigiamas jonas, t.y. trečiojo tipo krūvininkų. Jonizuotos dujos vadinamos trečios rūšies laidininku. Čia galimi 2 laidumo tipai: elektroninis ir joninis. Kartu su jonizacijos procesais vyksta atvirkštinis procesas – rekombinacija. Norint atskirti elektroną nuo atomo, reikia eikvoti energiją. Jeigu energija tiekiama iš išorės, tai jonizaciją skatinantys veiksniai vadinami išoriniais (aukšta temperatūra, jonizuojanti spinduliuotė, ultravioletinė spinduliuotė, stiprūs magnetiniai laukai). Priklausomai nuo jonizacijos faktorių, ji vadinama termine jonizacija arba fotojonizacija. Jonizaciją gali sukelti ir mechaninis smūgis. Jonizacijos veiksniai skirstomi į natūralius ir dirbtinius. Natūralumą sukelia Saulės spinduliuotė ir radioaktyvusis Žemės fonas. Be išorinės jonizacijos, yra ir vidinė jonizacija. Jis skirstomas į šoką ir žingsnį.
Smūgio jonizacija.
Esant pakankamai aukštai įtampai, lauko iki didelio greičio pagreitinti elektronai patys tampa jonizacijos šaltiniu. Kai toks elektronas atsitrenkia į neutralų atomą, elektronas išmušamas iš atomo. Tai atsitinka, kai jonizaciją sukeliančio elektrono energija viršija atomo jonizacijos energiją. Įtampa tarp elektrodų turi būti pakankama, kad elektronas įgytų reikiamą energiją. Ši įtampa vadinama jonizacijos įtampa. Kiekvienam tai turi savo reikšmę.
Jei judančio elektrono energija yra mažesnė nei būtina, tada smūgio metu įvyksta tik neutralaus atomo sužadinimas. Jei judantis elektronas susiduria su iš anksto sužadintu atomu, vyksta laipsniška jonizacija.
2. Nesavarankiškas dujų išlydis ir jo srovės-įtampos charakteristikos.
Jonizacija lemia pirmosios srovės egzistavimo sąlygos įvykdymą, t.y. iki nemokamų mokesčių atsiradimo. Kad atsirastų srovė, būtina išorinė jėga, kuri privers krūvius judėti kryptingai, t.y. reikalingas elektrinis laukas. Elektros srovę dujose lydi daugybė reiškinių: šviesos, garso, ozono susidarymo, azoto oksidų. Reiškinių, lydinčių srovę per dujų-dujų išlydį, visuma. Pats srovės srauto procesas dažnai vadinamas dujų išleidimu.
Iškrova vadinama nesavarankiška, jei ji egzistuoja tik veikiant išoriniam jonizatoriui. Tokiu atveju, pasibaigus išoriniam jonizatoriui, nauji krūvininkai nesusidaro, o srovė sustoja. Savaiminio iškrovimo metu srovės yra mažos ir nėra dujų švytėjimo.
Nepriklausomas dujų išleidimas, jo tipai ir charakteristikos.
Nepriklausomas dujų išlydis – tai išlydis, galintis egzistuoti pasibaigus išorinio jonizatoriaus veikimui, t.y. dėl smūginės jonizacijos. Tokiu atveju stebimi šviesos ir garso reiškiniai, o srovės stiprumas gali žymiai padidėti.
Savaiminio išsikrovimo tipai:
1. tylus iškrovimas - seka iš karto po savęs neišlaikančio, srovės stipris neviršija 1 mA, nėra garso ar šviesos reiškinių. Naudojamas fizioterapijoje, Geigerio-Muller skaitikliuose.
2. švytėjimo iškrova. Didėjant įtampai, tyla virsta rūkymu. Jis atsiranda esant tam tikrai įtampai - uždegimo įtampai. Tai priklauso nuo dujų rūšies. Neonas turi 60-80 V. Tai priklauso ir nuo dujų slėgio. Švytėjimo iškrovą lydi švytėjimas, jis yra susijęs su rekombinacija, kuri atsiranda išleidžiant energiją. Spalva taip pat priklauso nuo dujų rūšies. Jis naudojamas indikatorinėse lempose (neoninėse, UV baktericidinėse, apšvietimo, fluorescencinėse).
3. lankinis išlydis. Srovės stipris 10 - 100 A. Lydimas intensyvaus švytėjimo, temperatūra dujų išleidimo tarpelyje siekia kelis tūkstančius laipsnių. Jonizacija pasiekia beveik 100%. 100% jonizuotos dujos – šaltų dujų plazma. Jis turi gerą laidumą. Naudojamas aukšto ir itin aukšto slėgio gyvsidabrio lempose.
4. Kibirkštinis išlydis yra lankinio išlydžio tipas. Tai impulsų virpesių iškrova. Medicinoje naudojamas aukšto dažnio virpesių poveikis Esant dideliam srovės tankiui, stebimi intensyvūs garso reiškiniai.
5. vainikinės iškrovos. Tai yra švytėjimo iškrovos tipas. Jis pastebimas tose vietose, kur smarkiai pasikeičia elektrinio lauko stiprumas. Čia atsiranda krūvių lavina ir dujų švytėjimas – vainikas.
